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涌浪对大气边界层风廓线的影响

海洋科学 2024年第3期48卷 13-25页

作者：张昱昊宋金宝刘长龙浙江大学海洋学院浙江舟山316000

以往研究表明,涌浪存在时,近海面大气边界层内Monin–Obukhov相似性理论(Monin–Obukhov SimilarTheory,MOST)将会失效,风廓线模型的建立需要考虑波致应力的影响。基于此,本文首先研究了包含涌浪影响的Ekman模型和常通量层模型求解的风... 详细信息

以往研究表明,涌浪存在时,近海面大气边界层内Monin–Obukhov相似性理论(Monin–Obukhov SimilarTheory,MOST)将会失效,风廓线模型的建立需要考虑波致应力的影响。基于此,本文首先研究了包含涌浪影响的Ekman模型和常通量层模型求解的风廓线。结果表明:两种模型估算的风廓线均对涌浪的波衰减率系数cβ有较高的依赖性,在cβ<–50时,模型求解的风廓线均出现近海面风速极大值,但科氏力对近海面风廓线的影响可以忽略。在不同的大气层结下,分析发现海浪边界层(直接受波浪影响的区域)内风速明显小于海浪边界层之上MOST廓线在相同高度的外推值,体现了涌浪引起明显的剪切增强。通过对比分析广东省茂名市附近海上观测平台的实测数据发现,在涌浪存在时,MOST普遍无法描述风廓线;统计分析表明常通量层模型估算的风廓线在8 m处的风速与实测数据高度一致。考虑以往研究基本局限于中性大气层结条件,而涌浪经常显著影响着浮力作用明显的中低风速条件,我们的研究将有助于理解不同大气层结条件下涌浪对风廓线的影响。

关键词： MOST 涌浪波致应力海浪边界层层结

中国海风能和波浪能的长期趋势与演变规律分析

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海洋与湖沼 2024年第3期55卷 638-650页

作者：李昕昱刘长龙宋金宝浙江大学海洋学院浙江舟山316021 浙江大学海南研究院海南三亚572025

海上风能和波浪能是极具吸引力的可再生能源。在气候变化的背景下,基于ERA5再分析数据产品研究并对比了1979~2020年的中国海风能和波浪能的长期历史趋势和多尺度演化规律;采用Mann-Kendall检验和Theil-Sen方法分别量化了趋势显著性、趋... 详细信息

海上风能和波浪能是极具吸引力的可再生能源。在气候变化的背景下,基于ERA5再分析数据产品研究并对比了1979~2020年的中国海风能和波浪能的长期历史趋势和多尺度演化规律;采用Mann-Kendall检验和Theil-Sen方法分别量化了趋势显著性、趋势幅度和突变点。结果表明,海上风能和波浪能在气候特征和长期趋势上存在显著差异。风能的增长趋势在统计上不显著,平均增长率为每10年0.55%;而波浪能呈现强劲的增长趋势,以每10年4.8%的正向速率上升。海浪特性普遍向大波高、长周期和高能量的海况转移。不同季节和地区的长期趋势区别明显,其中冬季是风与波资源储量和趋势增长的优势季节、东海等开阔海域显示了风能和波浪能持续开发的潜力。基于这些分析结果,进一步探究了风浪能和涌浪能的时空多样性,揭示了海浪场的强化以及风波系统在能量场中的差异主要由涌浪的资源量所贡献,并受涌浪变化的调制。这些结果为海上资源评估、风和海浪气候预测以及海洋工程等众多领域提供了科学参考。

关键词：海上风能波浪能资源评估长期趋势分析

基于文献计量分析方法的海气相互作用领域研究态势分析

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海洋科学 2024年第4期48卷 63-82页

作者：高宇郝鹏叶灿成泽毅李爽宋金宝浙江大学海洋学院浙江舟山316021 浙江大学物理海洋与遥感研究所浙江舟山316021

海洋和大气是地球气候系统关键组成部分,其相互作用对全球气候及人类生活产生深远影响。为了分析海气相互作用的研究现状与未来的发展趋势。采用文献计量分析方法,运用VOSviewer和CiteSpace工具,筛选了中国知网(China National Knowledg... 详细信息

海洋和大气是地球气候系统关键组成部分,其相互作用对全球气候及人类生活产生深远影响。为了分析海气相互作用的研究现状与未来的发展趋势。采用文献计量分析方法,运用VOSviewer和CiteSpace工具,筛选了中国知网(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)和Web of Science核心合集数据库中关于海气相互作用的文献,通过分析关键词共现网络图谱、时间序列图谱、突现网络图谱以及文献的发文国家和机构分布,对1981-2021年中国在该领域的研究进展和未来发展趋势进行了综合评估。同时,本研究还选取了2001-2021年的国际文献,对全球范围内的研究进展和热点问题进行了分析。研究表明,国内外在海气相互作用领域的研究均从宏观到微观角度深入探讨,着重研究了大气和海洋的基本作用机理,并进一步分析了影响地球气候系统的多种因素,目前研究重点转向了极端天气系统的预测及其运行机制。从研究机构和国家分布来看,高校与政府机构是主要的研究主体,国内研究机构之间的合作联系较为紧密。研究关键方向和方法,从宏观层面的基础研究转向更为深入的海气通量和大尺度过程研究。这一转变反映了国际海洋发展战略的调整,同时为未来的研究方向提供了新的视角和思路。

关键词：海气相互作用 VOSviewer CiteSpace 知识图谱研究进展

海洋背景涡度对台风康森引起的近惯性波的影响研究

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海洋与湖沼 2024年第3期55卷 589-598页

作者：郑晓婷曹安州吕咸青宋金宝浙江大学海洋学院浙江舟山316021 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100

近惯性波是海洋中普遍存在的一种内波,它在海洋中的传播和耗散受到背景涡度的影响。基于混合坐标海洋模型(hybrid coordinate ocean model,HYCOM)再分析数据,研究了海洋背景正、负涡度对台风康森在南海引起的近惯性波的不同影响。结果表... 详细信息

近惯性波是海洋中普遍存在的一种内波,它在海洋中的传播和耗散受到背景涡度的影响。基于混合坐标海洋模型(hybrid coordinate ocean model,HYCOM)再分析数据,研究了海洋背景正、负涡度对台风康森在南海引起的近惯性波的不同影响。结果表明:负涡度能捕捉并促进近惯性能量向海洋深层的传播,可传播到1200 m以深;而正涡度则阻碍近惯性能量的下传,使其主要集中在海洋上层500 m以内。负涡度区域能维持较强的近惯性能量10 d以上,而正涡度区域内的近惯性能量维持时间在1周左右。负涡度区域内的近惯性波由第二和第三模态主导,而正涡度区域内的近惯性波由第一和第二模态主导,导致海洋内部(500~1000 m)负涡度区域内的近惯性波剪切比正涡度区域内的近惯性波剪切强1~2个量级。波射线模型模拟结果显示,近惯性波在负涡度区域边缘发生反射,进而被负涡度区域捕获;而正涡度区域内的近惯性波有加速远离源地的趋势。上述结果进一步说明,海洋背景负涡度能增强近惯性能量的垂向传播,而正涡度则促进了近惯性能量的水平传播。

关键词：海洋背景涡度近惯性波混合坐标海洋模型再分析数据波射线模型

基于改进遗传模糊算法的混合动力推土机能量管理策略

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南方农机 2024年第14期55卷 147-148,160页

作者：宋金宝郑风新杨中腾赵勇宁源源山推工程机械股份有限公司山东济宁272073 济宁技师学院山东济宁272073 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室陕西西安710064

以提高整车燃油性为控制目标进行了混合动力推土机的遗传模糊能量管理策略的研究。首先考虑当前状态下超级电容的荷电状态值设计了模糊控制器,以整车需求功率和超级电容荷电状态值作为模糊控制器的输入量,以发动机目标输出功率、发电机... 详细信息

以提高整车燃油性为控制目标进行了混合动力推土机的遗传模糊能量管理策略的研究。首先考虑当前状态下超级电容的荷电状态值设计了模糊控制器,以整车需求功率和超级电容荷电状态值作为模糊控制器的输入量,以发动机目标输出功率、发电机输出功率以及超级电容需求功率作为输出,设计了25条控制规则,然后采用改进遗传算法优化隶属度函数,最后利用200 s典型推土机工况在整车平台验证策略的有效性和可行性。研究结果表明:基于改进遗传模糊算法的混合动力推土机与原机型相比节油达19.04%,整机燃油经济性得到明显提高。

关键词：混合动力推土机模糊改进遗传算法能量管理

基于拓扑优化和参数优化方法的箱体轻量化研究

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南方农机 2024年第6期55卷 149-152页

作者：张媛媛赵勇岳斌宋金宝席涵枭长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室陕西西安710064 山推工程机械股份有限公司山东济宁272073 陕西法士特齿轮有限责任公司陕西西安710077

为了减轻箱体重量,研究小组采用基于拓扑和参数优化的方法对箱体进行轻量化研究。首先对箱体进行静力学、模态和频率响应分析,接着对箱体进行了拓扑优化;然后基于灵敏度分析对箱体进行参数优化,根据优化模型在对应的约束条件下求质量函... 详细信息

为了减轻箱体重量,研究小组采用基于拓扑和参数优化的方法对箱体进行轻量化研究。首先对箱体进行静力学、模态和频率响应分析,接着对箱体进行了拓扑优化;然后基于灵敏度分析对箱体进行参数优化,根据优化模型在对应的约束条件下求质量函数极值,得到最优设计方案;最后对新箱体进行了建模和仿真分析。仿真结果表明,在满足静力学条件下,箱体质量降低46.08 kg,减重率达11.18%,并且箱体的模态频率有所提高,频率响应特性得到改善。

关键词：变速箱箱体有限元分析拓扑优化灵敏度分析轻量化

等离子喷涂热障涂层的烧结行为及抗烧结设计研究

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等离子喷涂热障涂层的烧结行为及抗烧结设计研究

作者：宋金宝西安石油大学

学位级别：硕士

热障涂层(TBCs)是保护燃气轮机中热端部件免受高温影响的表面防护系统,其为发展高性能燃气轮机起到了不可缺少的作用。目前,等离子喷涂是热障涂层常用的制备方法之一,该制备方法具有成本低,易操作的优点,且制备的热障涂层具有层状多孔结... 详细信息

热障涂层(TBCs)是保护燃气轮机中热端部件免受高温影响的表面防护系统,其为发展高性能燃气轮机起到了不可缺少的作用。目前,等离子喷涂是热障涂层常用的制备方法之一,该制备方法具有成本低,易操作的优点,且制备的热障涂层具有层状多孔结构,可大幅提升涂层的隔热性能和缓和应变的能力。然而,在长时间高温服役下,热障涂层会因烧结导致涂层结构致密化,由此易引发热障涂层的剥落或失效,最终将使热端部件遭受损坏,带来巨大的安全隐患和经济损失。因此,热障涂层的烧结是制约燃气轮机寿命的重要因素之一。本文首先通过等离子喷涂制备了8YSZ热障涂层并将其进行等温热处理,采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)和力学性能测试等方法研究了涂层在热暴露过程中的结构及性能变化规律,阐明了烧结引起的结构变化行为,揭示了烧结导致的性能退化机理。随后通过有限元分析方法研究了涂层烧结及不同陶瓷层厚度对裂纹尖端应变能释放速率的影响,为延长热障涂层的使用寿命提供了发展方向。最后,本文设计了抗烧结多尺度热障涂层结构,采用有限元模拟的方式揭示了热障涂层的抗烧结机制,为新型长寿命热障涂层的发展提供了基础支撑。本文的试验结果表明,热障涂层在等温热处理后会发生明显的结构及性能变化。涂层会因烧结导致结构致密化,从而使涂层刚度增加,且刚度增加过程中具有前期迅速后期缓慢的特点。在热暴露过程中,原本光滑的二维(2D)孔隙内表面的多尺度波动触发了上下内表面之间的多点接触,加速了孔隙愈合,这是热暴露前期刚度大幅增加的主要原因。2D孔隙的愈合是热障涂层在热暴露后结构变化的主要特征,也是引起涂层刚度增加的主要原因。本文通过模拟计算得出涂层的烧结现象和涂层厚度均会使涂层内部的应力集中加剧,同时会增加裂纹尖端的应变能释放速率,对热障涂层寿命产生不利的影响,通过计算结果的对比发现烧结产生的不利影响更大,因此降低烧结产生的性能退化效应是提升热障涂层寿命的有效方法之一。本文所设计热障涂层的模拟计算结果得出,在热障涂层的陶瓷层中植入纵向裂纹可以降低87.90%的涂层刚度和79.90%的应变能释放速率,降低的程度取决于纵向裂纹的密度。最后,对抗烧结热障涂层的机理进行了分析和讨论,热障涂层的力学性能存在对尺度敏感的现象,这使得烧结后多尺度涂层的宏观刚度远低于微观刚度。因此,在热暴露过程中涂层的宏观烧结的影响降低,从而使涂层保持缓和应变的能力。

关键词：等离子喷涂热障涂层烧结有限元模拟

基于ST-ConvLSTM的南海海表面CO_(2)分压的空间和时间序列预测

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海洋与湖沼 2023年第6期54卷 1573-1585页

作者：高宇李爽郝鹏宋金宝浙江大学海洋学院浙江舟山316021

海表面二氧化碳分压(pCO_(2))的未来变化趋势,对统计评估全球碳收支以及理解全球气候变化背景下的海洋酸化现象至关重要。目前传统的海面pCO_(2)预测方法大部分基于有限的实测数据,然而实测数据存在着时间和地理方面的制约,且计算成本... 详细信息

海表面二氧化碳分压(pCO_(2))的未来变化趋势,对统计评估全球碳收支以及理解全球气候变化背景下的海洋酸化现象至关重要。目前传统的海面pCO_(2)预测方法大部分基于有限的实测数据,然而实测数据存在着时间和地理方面的制约,且计算成本较高。近年来,随着时空观测数据的爆炸性增长,基于深度学习的数据驱动模型在海表面pCO_(2)预测方面中表现出良好的潜力。然而,由于多种环境因素与海表面pCO_(2)之间的关系错综复杂,到目前为止尚无十分简单有效的相关模型来对海表面pCO_(2)进行预测。为应对这一挑战,利用时空卷积长短时记忆神经网络(ST-ConvLSTM)模型,通过海面温度(sea surface temperature,SST)、海面盐度(sea surface salinity,SSS)、叶绿素a浓度(chl a)和海面pCO_(2)数据,预测南海的海面pCO_(2),并将2019年1~12月的数据作为测试集对模型的表现进行了验证。结果显示,ST-ConvLSTM模型的预测因子均方根误差、平均绝对误差和决定系数分别为0.981 Pa、0.711 Pa和0.997。对比卷积LSTM(ConvLSTM)、随机森林和广义回归神经网络(generalized regression neural network,GRNN)三种方法,证实本文所提出的方法在解决南海pCO_(2)预测问题上是可靠的。

关键词： ST-ConvLSTM模型中国南海海表面二氧化碳分压深度学习

地形和风速影响下的海气相互作用大涡模拟研究

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海洋与湖沼 2023年第6期54卷 1537-1550页

作者：叶灿成泽毅高宇宋金宝李爽浙江大学海洋学院浙江舟山316021

当水流经过海洋地形时,水流的不稳定性会引起垂向混合并伴随大量湍流过程。针对传统海气耦合模式缺少在湍流尺度上讨论海洋地形与风速对海气相互作用影响的问题,使用并行大涡模拟海气耦合模式(the parallelized large eddy simulation m... 详细信息

当水流经过海洋地形时,水流的不稳定性会引起垂向混合并伴随大量湍流过程。针对传统海气耦合模式缺少在湍流尺度上讨论海洋地形与风速对海气相互作用影响的问题,使用并行大涡模拟海气耦合模式(the parallelized large eddy simulation model,PALM)在5 m/s的背景风场下,引入理想立方体地形,对比有无地形的影响;设置地形边长为L,高为3L(其中大气部分高L),L与水深H之比为L/H=1/2;然后保持地形条件不变。设置5、10和15 m/s三种风速,讨论风速对小尺度海气相互作用的影响。研究表明:地形在大气部分减弱顺风向速度,增强侧风向速度,影响0~5L的高度区域,而对垂向作用较小;无地形条件下湍流垂向涡黏系数K_(m)在-0.3L时,水深达到最大值0.024 m^(2)/s,有地形条件下K_(m)在-0.8L时,达到最大值为0.16 m^(2)/s,地形的存在使得上层海洋混合加强,K_(m)最大值增加1个数量级。随风速增大海洋和大气中的净热通量、淡水通量和浮力通量都相应增大,在近海面处,5 m/s和10 m/s风速下三个通量的数值接近,当风速为15 m/s时净热通量和淡水通量相较于前者数值大小增加2倍,浮力通量增加近3倍,说明大风加剧了各通量在海表的交换;海洋混合层中湍动能收支各项也响应风速的变化,其中剪切项、Stokes剪切、耗散项随风速增大而增加,且在区域-0.2L~0变化明显,在近海表面处剪切项、传输项、压力项和耗散项的值达到最大,同时耗散项由传输项和剪切项平衡;随风速增大,K_(m)达到最大值的深度基本一致为-0.8L。

关键词：大涡模拟地形与风速海气通量湍流动能收支